張曉光,李蕾蕾,高 芳,魯 坤,徐 釗

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州221008)

礦井巷道中的無線通信,對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)和搶險(xiǎn)救災(zāi)具有十分重要的作用[1,2]。由于井巷通信環(huán)境復(fù)雜,密集多徑造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落,電機(jī)車等移動(dòng)物體也會(huì)給無線信道帶來時(shí)間選擇性衰落,致使井巷中電磁波傳播衰耗嚴(yán)重,增加了井下可靠通信的難度,即便將地面上先進(jìn)的無線通信技術(shù)應(yīng)用到井下,原本在地面上能夠傳輸幾公里甚至幾十公里的無線收發(fā)信機(jī),在井下也僅能傳輸幾十米至幾百米?？梢?研究適合井下的通信技術(shù)是有效建立礦井無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。

為解決這一問題,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)電磁波在礦井巷道中的傳播特性進(jìn)行了深入的研究,并取得了一系列成果[1-3];也有很多學(xué)者根據(jù)電磁波在井巷中的傳播特性,有針對(duì)性地將地面上一些高新無線調(diào)制技術(shù)如：CDMA,OFDM及 OFDM-CDMA(OFCDM)應(yīng)用到井巷中來,進(jìn)行理論研究,文獻(xiàn)[4,5]分別指出“DS-CDMA和OFDM技術(shù)具有較好的抗多徑干擾及抗脈沖干擾能力”;文獻(xiàn)[6]指出“與CDMA和OFDM相比,OFCDM系統(tǒng)抵抗井下各種信號(hào)干擾的性能更強(qiáng)”,OFCDM系統(tǒng)被認(rèn)為是未來寬帶無線通信系統(tǒng)的優(yōu)秀候選[7-10]。目前,傳統(tǒng)OFCDM方案主要有MC-DS-CDMA和MC-CDMA兩類,其能使用的最大用戶數(shù)只有K(正交擴(kuò)頻碼長(zhǎng))個(gè);所有用戶共用整個(gè)帶寬,來自于所有用戶的多址干擾(MAI,multiple access interference)會(huì)比較強(qiáng);同時(shí)時(shí)域擴(kuò)展的MC-DS-CDMA無法實(shí)現(xiàn)頻域分集,頻域擴(kuò)展的MC-CDMA無法實(shí)現(xiàn)時(shí)域分集。文獻(xiàn)[7-8]基于傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)方案提出二維(2D,2 Dimension)擴(kuò)頻思想,擴(kuò)展同時(shí)發(fā)生在時(shí)域和頻域;文獻(xiàn)[9]提出頻率交錯(cuò)的2D擴(kuò)頻方法,即通過分離攜帶相同信息的子載波從而獲得更大的頻率分集增益;文獻(xiàn)[10]將K個(gè)OFDM符號(hào)作為一個(gè)基本幀,將某個(gè)調(diào)制符號(hào)擴(kuò)展為多個(gè)子段信息,再將各個(gè)子段信息分別分布到某個(gè)OFDM符號(hào)的某個(gè)子載波上,較文獻(xiàn)[7-9]更好地實(shí)現(xiàn)了單用戶上的2D擴(kuò)頻。但上述文獻(xiàn)所述的2D擴(kuò)頻均屬于OFCDM方案范疇,僅考慮了系統(tǒng)中子載波數(shù)目和擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度相等的情況,而忽略了絕大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)中子載波數(shù)目均大于擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度的情況;另外,它們均未實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)頻2D擴(kuò)展,在同時(shí)具有頻率和時(shí)間選擇性衰落的信道中應(yīng)用會(huì)有局限性?；诖?針對(duì)煤礦井巷復(fù)雜的通信環(huán)境,筆者提出一種能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格時(shí)頻二維擴(kuò)展的塊分集(BD,Block Diversity)OFCDM系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)方案

1.1 井巷BD-OFCDM系統(tǒng)

在實(shí)際系統(tǒng)中,一般可用子載波數(shù)目N大于擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度K,即 N=KB,B為整數(shù),可以先將 N個(gè)子載波分成B個(gè)塊單元,每個(gè)塊的子載波個(gè)數(shù)為K,每個(gè)塊單元相當(dāng)于傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng),因此每個(gè)塊單元能使用的最大用戶數(shù)也為K個(gè),BD-OFCDM系統(tǒng)同時(shí)可用的最大用戶數(shù)為K?B,B為總塊數(shù),與傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)相比,容量大了B倍。而且,傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)所有用戶共用整個(gè)帶寬,MAI很強(qiáng),而BD-OFCDM系統(tǒng)所有用戶不再共用整個(gè)帶寬,多址干擾只來自于塊單元內(nèi)部,因此多址干擾被明顯降低。同時(shí),BD-OFCDM系統(tǒng)有利于用戶自適應(yīng)選擇信道狀況好的子塊,可以提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴ｏ@然,BD-OFCDM與傳統(tǒng)OFCDM系統(tǒng)相比,在頻率選擇性信道上可以獲得更好的頻率分集增益。考慮井巷空間受限,密集的多徑會(huì)造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落,因此BD-OFCDM系統(tǒng)較傳統(tǒng)OFCDM更適合井巷無線通信環(huán)境。

1.2 井巷TFS-OFCDM系統(tǒng)

下面以單個(gè)用戶為例討論適合于井巷無線通信環(huán)境的二維時(shí)頻擴(kuò)展OFCDM(2D-TFS-OFCDM)系統(tǒng)方案,該方案基于MC-DS-CDMA時(shí)頻域分布,使同一調(diào)制符號(hào)的信息分布到各個(gè)OFDM符號(hào)的各個(gè)子載波上,其幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-a所示,幀結(jié)構(gòu)分解圖如圖1-b所示。按照BD-OFCDM系統(tǒng),每個(gè)用戶被分配的子載波數(shù)目與擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度應(yīng)該相等,即將K個(gè)OFDM符號(hào)作為一個(gè)基本處理時(shí)間單元,每個(gè)用戶使用一組K×K的正交擴(kuò)頻碼組。在圖1-a,1-b中,橫軸表示時(shí)間,即某一子載波上不同OFDM符號(hào)的序號(hào),縱軸表示頻率,即同一時(shí)刻不同子載波的序號(hào)。

圖1 井巷TFS-OFCDM系統(tǒng)方案幀結(jié)構(gòu)

假設(shè)某一用戶輸入的調(diào)制符號(hào)序列為{d1,d2,…,d k},根據(jù) MC-DS-CDMA時(shí)頻域分布,在第0個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)：調(diào)制符號(hào)d 1通過該用戶的1號(hào)正交Walsh-Hadmard序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第0個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第0個(gè)載波頻段,調(diào)制符號(hào)d 2通過該用戶的2號(hào)Walsh序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第1個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第1個(gè)載波頻段,…,調(diào)制符號(hào)dk通過該用戶的K號(hào)Walsh序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第(K-1)個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第(K-1)個(gè)載波頻段;同理,在第1個(gè)OFDM 符號(hào)周期內(nèi)：調(diào)制符號(hào)d1通過該用戶的1號(hào)Walsh序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第1個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第1個(gè)載波頻段,…,調(diào)制符號(hào)dk通過該用戶的K 號(hào)Walsh序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第0個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第 0個(gè)載波頻段;一直到在第(K-1)個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)：調(diào)制符號(hào) d1通過該用戶的K號(hào)Walsh序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第(K-2)個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第(K-1)個(gè)載波頻段,…,調(diào)制符號(hào)d k通過該用戶的K號(hào)Walsh序列擴(kuò)展到幀結(jié)構(gòu)圖中的第(K-2)個(gè)載波上,擴(kuò)展得到的K個(gè)碼片共用第(K-2)個(gè)載波頻段。至此,共K個(gè)OFDM符號(hào)周期,完成圖1所示的嚴(yán)格的2D時(shí)頻擴(kuò)展?？梢?每個(gè)用戶使用一組擴(kuò)頻長(zhǎng)度為K的正交擴(kuò)頻序列碼組。對(duì)于其它用戶而言,擴(kuò)頻方法相同,只是需要使用這組正交擴(kuò)頻碼組的其它排列組合。這樣,嚴(yán)格地實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻2D擴(kuò)展,對(duì)抗同時(shí)具有頻率和時(shí)間選擇性衰落信道的能力更強(qiáng),更利于井巷復(fù)雜信道環(huán)境。

2 系統(tǒng)模型

2.1 井巷BD-TFS-OFCDM發(fā)射系統(tǒng)

圖2所示為井巷BD-TFS-OFCDM發(fā)射系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)中,整個(gè)帶寬被分成B個(gè)子塊,其中每個(gè)子塊的序號(hào)為b,b=(0,1,…,Nb-1),Nb=B.同時(shí)每個(gè)子塊有K個(gè)子載波,即Nb=N c/K,N c是整個(gè)帶寬被劃分的子載波個(gè)數(shù),每個(gè)用戶依次被分配給第b個(gè)子塊,每個(gè)用戶使用的正交擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度為K,因此被每個(gè)用戶使用的子載波數(shù)為K個(gè)。

圖2 井巷BD-TFS-OFCDM發(fā)射系統(tǒng)框圖

首先,每個(gè)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制,已調(diào)數(shù)據(jù)符號(hào)通過塊選擇器分配給每一塊,規(guī)則為：假設(shè)系統(tǒng)中總塊數(shù)為3,并且系統(tǒng)需要容納第4個(gè)用戶的數(shù)據(jù),此時(shí),前3個(gè)用戶數(shù)據(jù)分別被分配給第1子塊、第2子塊、第3子塊;第4個(gè)用戶數(shù)據(jù)將被分配給第1子塊,通過選擇由第一組正交Walsh-Hadmard擴(kuò)頻碼矩陣W1循環(huán)移位一次得到的第二組擴(kuò)頻碼W2,而與第1個(gè)用戶數(shù)據(jù)共同復(fù)用第1子塊。因?yàn)槊總€(gè)子塊包括K個(gè)用戶,因此,每個(gè)子塊的最大用戶數(shù)是K,系統(tǒng)能達(dá)到的最大用戶數(shù)是KB。然后已調(diào)數(shù)據(jù)通過一個(gè)K×K維的正交擴(kuò)頻碼組矩陣Wk=(u表示第幾個(gè)用戶,表示對(duì) u除以總塊數(shù)得到的商向上取整),用戶1到用戶B重復(fù)使用同一個(gè)K×K維的正交擴(kuò)頻碼組矩陣W1,用戶B+1到用戶2B重復(fù)使用同一個(gè)K×K維的正交擴(kuò)頻碼組矩陣W2,直到用戶(K-1)B+1到用戶KB重復(fù)使用同一個(gè)K×K維的正交擴(kuò)頻碼組矩陣W k,其中W k表示為然后按照?qǐng)D1所示幀結(jié)構(gòu)規(guī)則進(jìn)行嚴(yán)格2D擴(kuò)展,其中1)表示第幾個(gè)子載波塊,N u=KB,u=(0,1,…,N u-1)表示第幾個(gè)用戶;k=0,1,…,K-1,上角標(biāo)k表示擴(kuò)頻碼組的第幾號(hào)擴(kuò)頻序列,下角標(biāo)k表示一個(gè)擴(kuò)頻序列的第幾個(gè)擴(kuò)頻碼片。

最后進(jìn)行IFFT變換生成一個(gè)正交多載波信號(hào),同時(shí)為了避免多徑衰落信道引起的ISI、ICI在系統(tǒng)中插入循環(huán)前綴,作為保護(hù)間隔。發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送出的信號(hào)數(shù)學(xué)描述如下：

式中,T s,T g分別為符號(hào)周期,保護(hù)間隔;Δf表示子載波頻率間隔;P s(t)為脈沖成形函數(shù),定義為：

2.2 井巷BD-TFS-OFCDM接收系統(tǒng)

圖3所示為井巷BD-TFS-OFCDM接收系統(tǒng)框圖。發(fā)送信號(hào)s(t)經(jīng)過井巷無線信道,接收系統(tǒng)通過接收天線接收的到的信號(hào)r(t)表示為：

圖3 井巷BD-TFS-OFCDM接收系統(tǒng)框圖

接收信號(hào)r(t)首先去除保護(hù)間隔,進(jìn)行FFT變換,然后進(jìn)行2D解擴(kuò),數(shù)字信號(hào)解調(diào),最后各個(gè)用戶輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)符號(hào)。其中的2D解擴(kuò)思路為：利用擴(kuò)頻碼重用函數(shù)尋找每個(gè)用戶的解擴(kuò)碼矩陣,即用戶(k-1)B+1到用戶kB重復(fù)使用同一個(gè)K×K維的正交擴(kuò)頻碼組矩陣W k,其中1≤k≤K;根據(jù)2D-TFS擴(kuò)展原理,對(duì)于每個(gè)用戶的某個(gè)幀結(jié)構(gòu),每一個(gè)子載波都攜帶了一幀中的所有數(shù)據(jù),即每個(gè)子載波都需用整個(gè)擴(kuò)頻碼組矩陣W k來解擴(kuò),從而得到K個(gè)不同的數(shù)據(jù)符號(hào),每幀共有K個(gè)子載波,因此每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)被解擴(kuò)輸出K次。但由于每個(gè)子載波所在的信道呈現(xiàn)不同的頻率選擇性衰落,致使只有一個(gè)解擴(kuò)輸出更接近于發(fā)送數(shù)據(jù),該方案中,通過比較接收端星座圖中K個(gè)數(shù)據(jù)映射信號(hào)的坐標(biāo)位置,找到一個(gè)經(jīng)歷相對(duì)平坦信道的最優(yōu)輸出,這樣能夠提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?此即為圖3所示的最優(yōu)數(shù)據(jù)選擇模塊。

3 性能分析

3.1 仿真參數(shù)

井巷無線通信中,密集多徑會(huì)造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落,電機(jī)車等物體的移動(dòng)會(huì)帶來時(shí)間選擇性衰落,致使井巷中電磁波傳播衰耗嚴(yán)重。筆者利用具有3個(gè)多徑分組(3個(gè)組內(nèi)的多徑條數(shù)分別設(shè)為(1,6,6)),最大時(shí)延為100 ns[11],最大多普勒頻移為18 Hz[12]的信道環(huán)境來模擬井巷無線通信環(huán)境,運(yùn)用Matlab仿真,對(duì)本文提出的BD-TFS-OFDMA系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4為單用戶情況 MC-CDMA、MC-DS-CDMA、ZK TFS-OFCDM[10]及本文推薦的 TFS-OFCDM四種系統(tǒng)在AWGN信道上的誤碼率曲線;圖5為單用戶情況時(shí)這四種系統(tǒng)在井巷衰落信道上的誤碼率曲線。

由圖4和圖5可以看出：

圖4 AWGN信道四種系統(tǒng)性能比較

圖5 井巷衰落信道四種系統(tǒng)性能比較

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

1)無論是AWGN信道,還是具有多徑和多普勒干擾的井巷信道,筆者提出的TFS-OFCDM系統(tǒng)性能均強(qiáng)于其他三種;

2)在AWGN信道上,MC-CDMA,MC-DSCDMA,ZK TFS-OFCDM表現(xiàn)出了相似的性能,本文方案在此仿真參數(shù)設(shè)置中相當(dāng)于重傳了4次后擇優(yōu)解調(diào),因此誤碼率較低,但代價(jià)是數(shù)據(jù)率較前3種系統(tǒng)下降了4倍;

3)在具有多徑和多普勒干擾的井巷信道上,ZK TFS-OFCDM系統(tǒng)優(yōu)于MC-CDMA和MC-DSCDMA系統(tǒng),因?yàn)榫哂袝r(shí)域、頻域分集作用,而MCCDMA只有頻域分集作用,MC-DS-CDMA只有時(shí)域分集作用,本文方案最優(yōu),原因是與ZK方案相比實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格意義上的時(shí)域頻域分集,但代價(jià)是數(shù)據(jù)率下降?？紤]實(shí)際井巷無線通信環(huán)境,在信息率和信息傳輸?shù)目煽啃圆荒懿⒅貢r(shí)更傾向于可靠傳輸,因此本文推薦方案更優(yōu)。

圖6為 ZK TFS-OFCDM 、本文 TFS-OFCDM與BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)誤碼率曲線比較。由圖可以看出：

圖6 ZK TFS與本文TFS、BD-TFS OFCDM系統(tǒng)性能比較

1)對(duì)于三種方案中的每一種來說,都是用戶數(shù)越多,誤碼率性能越壞,這主要是由多址干擾造成的;

2)相同用戶數(shù)時(shí),本文TFS-OFCDM 誤碼率性能優(yōu)于ZK TFS-OFCDM,這是因?yàn)閆K TFS-OFCDM系統(tǒng)只是將調(diào)制符號(hào)在時(shí)域和頻域擴(kuò)展為多個(gè)子段信息,而不像本文TFS-OFCDM系統(tǒng)將調(diào)制符號(hào)在時(shí)域頻域嚴(yán)格分集,但本文 TFS-OFCDM系統(tǒng)付出的代價(jià)是數(shù)據(jù)率較低;

3)在相同用戶數(shù)時(shí),BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)誤碼率效果優(yōu)于本文TFS-OFCDM和ZK TFS-OFCDM,原因是本文 TFS-OFCDM 和ZK TFS-OFCDM系統(tǒng)均是所有用戶共用整個(gè)帶寬,多址干擾很強(qiáng),而BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)所有用戶不再共用整個(gè)帶寬,多址干擾只來自于塊單元內(nèi)部,因此多址干擾被明顯降低;

4)用戶數(shù)相同時(shí),BD-TFS-OFCDM所用擴(kuò)頻碼數(shù)是本文TFS-OFCDM和ZK TFS-OFCDM方案的1/B,說明在擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度相同的情況下,BDTFS-OFCDM系統(tǒng)用戶容量最大。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了改善由密集多徑和多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的井巷可靠通信困難的問題,本文在ZK TFS-OFCDM[10]基礎(chǔ)上提出一種新的TFS-OFCDM方案。當(dāng)信道中子載波數(shù)目大于正交擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度時(shí),本文的TFS-OFCDM發(fā)展為BD-TFS-OFCDM方案,仿真結(jié)果表明：相同條件下,本文TFS-OFCDM誤碼率性能優(yōu)于ZK TFS-OFCDM;用戶數(shù)相同時(shí),BD-TFS-OFCDM 性能最好,抗多址干擾能力最強(qiáng);擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度相同的情況下,BD-TFS-OFCDM系統(tǒng)用戶容量最大,但與ZK TFS-OFCDM相比,數(shù)據(jù)率有所下降。

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